Medición del nivel de fluido sin contacto utilizando un chip reflectómetro

Las mediciones del nivel de fluido se pueden medir con precisión a través de la pared de un tanque no metálico colocando una línea de transmisión dieléctrica de aire contra el costado del tanque y detectando la impedancia de RF. Este artículo proporciona un ejemplo de diseño empírico que ilustra cómo un dispositivo reflectómetro puede simplificar el diseño.

En comparación con los métodos tradicionales de detección del nivel de fluido que pueden involucrar flotadores mecánicos, un enfoque basado en un reflectómetro ofrece varios beneficios, que incluyen:

• Mediciones rápidas del nivel de líquido en tiempo real
• Es posible un procesamiento posterior electrónico extenso
• Diseño sin contacto (sin contaminación del líquido)
• Sin partes móviles
• Campo de RF irradiado mínimo (el campo lejano se cancela)
• Sin agujeros en el tanque para un sensor interno (reduce la posibilidad de fugas)
• Seguridad intrínseca, debido a que no hay cables eléctricos ni partes en el tanque

Descripción general de la medición del nivel de líquido

La Figura 1 muestra un diagrama de bloques del sistema general, que consta de una fuente de señal de RF que impulsa una línea de transmisión dieléctrica de aire balanceada y terminada con un reflectómetro ubicado en línea.

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Figura 1. Diagrama de bloques del sistema de medición del nivel de fluido. (Fuente:Analog Devices)

Principio de funcionamiento

Las líneas de transmisión suspendidas en el aire pueden diseñarse para una impedancia característica precisa y una baja pérdida de RF como resultado de los conductores de baja pérdida y la falta de material dieléctrico sólido. Los gráficos clásicos de los vectores E y H muestran que los campos eléctricos y magnéticos se concentran alrededor de los conductores, y su magnitud decae bastante rápidamente con la distancia, donde la distancia se mide en relación con el tamaño y el espaciado de la estructura de la línea de transmisión en sí. Cualquier material dieléctrico cercano, como la pared de un tanque de fluido y el fluido dentro, alterará las características eléctricas de la línea de transmisión [1], que se pueden medir sumariamente con un reflectómetro como el ADL5920 de Analog Devices.

Descripción detallada

Considere el caso de una línea de transmisión dieléctrica de aire, de baja pérdida diseñada para una impedancia característica específica Z _O en aire. Cualquier sustancia dieléctrica agregada, como un fluido en el campo cercano de la línea de transmisión:

• Reducir la impedancia característica de la línea de transmisión,
• Reducir la velocidad de propagación, aumentando así la longitud eléctrica efectiva de la línea, y
• Aumente la atenuación de la línea.

Estos tres efectos pueden combinarse para crear una reducción en la pérdida de retorno, que se puede medir directamente con un dispositivo o instrumento reflectómetro. Con un diseño y una calibración cuidadosos, la pérdida de retorno puede correlacionarse con el nivel del líquido.

Para simplificar el análisis, considere la línea de transmisión aire-dieléctrico de la Figura 1 con una impedancia establecida igual a Z _O antes de conectar la línea al tanque. Porque la línea termina con Z _O , en teoría, no hay energía reflejada y la pérdida de retorno es infinita.

Después de que la línea de transmisión se fija al costado de un tanque, lo que era una línea de transmisión ahora se comporta como dos líneas de transmisión separadas, en cascada en una configuración en serie:

• Por encima del nivel de fluido, la línea de transmisión es dieléctrica de aire, excepto por la pared del tanque Impedancia de la línea de transmisión Z _OA cambia poco de su valor dieléctrico de aire, Z _O . Lo mismo ocurre con la velocidad de propagación de la línea de transmisión.
• Por debajo del nivel de líquido, la impedancia de la línea de transmisión Z _OF se vuelve más bajo en comparación con Z _OA . La longitud eléctrica aumenta efectivamente, al igual que la atenuación, todo debido al material dieléctrico adicional presente en el campo cercano de la línea de transmisión.

La impedancia de la terminación Z _O en el otro extremo de la línea de transmisión se transformará cuando se mida con el reflectómetro en el extremo de la fuente de la línea de transmisión. La transformación se representa gráficamente, aproximadamente como se muestra en la Figura 2. Debido a que Z _OF es menor que Z _O , se crea una rotación del gráfico Smith en el sentido de las agujas del reloj, como muestran las flechas.

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Figura 2. Representación gráfica de Smith normalizada y expandida de la impedancia de entrada de la línea de transmisión. Los puntos finales de seguimiento representan cómo el nivel de fluido se traduce en una medición de pérdida de retorno. (Fuente:Analog Devices)

Cuando la impedancia de la línea de transmisión coincida con precisión con la terminación resistiva al final de la línea, no habrá transformación de impedancia debida a la línea de transmisión. Esta condición corresponde al centro del gráfico de Smith, Figura 2, que muestra una impedancia normalizada de 1 + j0 Ω. La pérdida de retorno debe ser de al menos 26 dB antes la línea de transmisión está conectada al tanque.

Después de conectar la línea de transmisión a un tanque vacío, el material de la pared del tanque aportará algo de material dieléctrico adicional a la línea de transmisión, reduciendo así la impedancia de la línea a Z _OA , y la longitud eléctrica efectiva ligeramente creciente de la línea de transmisión, Trazo 1, como se ejemplifica en la Figura 2. La pérdida de retorno aún debería medir bastante bien a aproximadamente 20 dB.

A medida que aumenta el nivel de fluido en el tanque, la impedancia de la línea de transmisión se reduce debido a que el fluido desplaza una parte del aire como transmisión dieléctrica. Impedancia de la línea de transmisión que era Z _OA ahora se convierte en Z _OF . Por lo tanto, el centro de rotación en el gráfico de Smith se mueve hacia abajo. Simultáneamente, la cantidad de rotación de la carta de Smith aumenta, porque la longitud eléctrica efectiva de la línea de transmisión aumenta. Esto se muestra en la Traza 2 y la Traza 3 en la Figura 2. En consecuencia, el reflectómetro mide la pérdida de retorno reducida en el extremo de la línea del generador.

Debido a que el reflectómetro mide la magnitud de la reflexión, no la fase, la transformación de impedancia debe limitarse a la mitad inferior del gráfico de Smith donde el componente reactivo es negativo. De lo contrario, la impedancia se transforma de nuevo hacia el centro de la tabla de Smith, lo que genera una ambigüedad en la medición de la magnitud. Esto significa que la longitud eléctrica de la línea de transmisión conectada a un tanque lleno debe ser de 90 ° o menos. Si la longitud eléctrica supera los 90 °, la pérdida de retorno medida parecerá replegarse.

Un detector de RF bidireccional como el ADL5920 puede medir la potencia incidente y reflejada en unidades de dBm, a lo largo de una línea de transmisión de RF de impedancia característica Z _O =50 Ω. Restar estas dos lecturas mide directamente la pérdida de retorno en dB. La pérdida de retorno, en términos simples, ocurre cuando una fuente de RF está conectada a una carga. Parte de la energía se transferirá a la carga y el resto se reflejará hacia la fuente. La diferencia entre estos dos niveles de potencia es la pérdida de retorno. Es esencialmente una medida de qué tan bien se adapta la carga a la fuente.

Propósito del balún

El balun sirve para impulsar cada conductor con voltaje de CA de polaridad igual pero opuesta y, por lo tanto, tiene dos propósitos principales:

• Reducir el acoplamiento de RF parásita hacia y desde la transmisión. Esto es importante para el cumplimiento de la normativa sobre emisiones y susceptibilidad. La EMI de campo lejano en cualquier dirección se reduce mediante la cancelación.
• Transformación Una impedancia más alta significa un espaciado más amplio de los elementos de la línea de transmisión, lo que significa una penetración más profunda del campo eléctrico en el contenedor. El resultado es un mayor cambio en la pérdida de retorno en comparación con el nivel de líquido, lo que significa una medición del nivel de líquido más sensible.

El balun debe estar diseñado para proporcionar una buena relación de rechazo de modo común (CMRR) en toda la banda de paso del filtro de paso de banda.

¿Es necesario un filtro de paso de banda?

Se recomienda el filtro de paso de banda opcional de la Figura 1 siempre que la RF parásita pueda acoplarse a la línea de transmisión. Un filtro de paso de banda será muy útil para reducir o eliminar la interferencia de los servicios de Wi-Fi, celular y PCS, radio móvil terrestre y todas las demás señales externas que no están en la misma banda de frecuencia que la fuente deseada.

Para obtener los mejores resultados, se recomienda que el diseño del filtro de paso de banda presente una pérdida de inserción baja, con una pérdida de retorno proporcional a la de la medición de la pérdida de retorno; es decir, aproximadamente 30 dB o mejor si es posible.

Procedimiento de diseño básico

El esquema del procedimiento de diseño es aproximadamente el siguiente:

• Elija una frecuencia de funcionamiento basada en la longitud de la transmisión. Normalmente, la longitud de la línea de transmisión será aproximadamente la misma que la altura del tanque o un poco más larga. La frecuencia de funcionamiento debe elegirse de manera que la longitud de la línea de transmisión sea típicamente de una décima a una cuarta parte de la longitud de onda de RF en el aire. La Figura 3 ilustra este rango de frecuencia aproximado. Una frecuencia más baja dará la mejor linealidad de pérdida de retorno frente al nivel de fluido, mientras que una frecuencia más alta dará un rango más amplio de señales de pérdida de retorno, pero la linealidad puede no ser tan buena y puede ocurrir un repliegue de la medición (Figura 2). Si se requiere el cumplimiento de las emisiones radiadas, la frecuencia puede elegirse de la lista de frecuencias ISM aplicables [2].
• Diseñe o elija un balun para la frecuencia o banda de frecuencia elegida. El balun puede ser un LC de elementos agrupados o un transformador. El balun debe exhibir una excelente pérdida de retorno cuando se termina en el extremo equilibrado.
• Calcule el ancho del conductor y las dimensiones de separación de la transmisión. Una calculadora de impedancia de línea de transmisión, como una calculadora de línea de transmisión arbitraria (ATLC), es útil para este propósito [3].

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Figura 3. Frecuencia operativa recomendada frente a longitud de la línea de transmisión. (Fuente:Analog Devices)

Un ejemplo de diseño simple

Con fines de demostración, se diseñó un monitor de nivel de líquido para un tanque de lavado de parabrisas de automóvil. La configuración de prueba mueve agua entre dos tanques idénticos, uno de los cuales debe tener una línea de transmisión conectada, para medir el nivel de fluido.

De acuerdo con el esquema anterior:

• Debido a que la altura del tanque es de aproximadamente 6 ″ (15 m), una excitación de RF objetivo de aproximadamente 300 MHz es apropiada (consulte la Figura 3).
• A continuación, se diseña y construye un balun LC para este rango de frecuencia. Una transformación de impedancia levemente ascendente a Z _O Se desea aumentar la sensibilidad a la variación del nivel de líquido [4] (ver Figura 4). Se utiliza un analizador de red o reflectómetro para verificar aproximadamente 30 dB o más de pérdida de retorno en el puerto de un solo extremo, con la terminación resistiva fija conectada directamente al balun, antes de conectar la línea de transmisión.
• Una línea de transmisión paralela está diseñada y fabricada con Z _O igual al valor de resistencia utilizado anteriormente. La línea de transmisión está conectada en circuito y la terminación de la resistencia se mueve al final de la línea. Consulte la Figura 4 y la Figura 5. El analizador de red o reflectómetro se usa nuevamente para verificar que la pérdida de retorno siga siendo buena, aproximadamente 25 dB o mejor.

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Figura 4. Balun y línea de transmisión utilizados para el ejemplo de detección de nivel de fluido. (Fuente:Analog Devices)

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Figura 5. Balun discreto y línea de transmisión terminada, antes de colocarlo en el tanque. (Fuente:Analog Devices)

Ahora la línea de transmisión puede estar unida al costado del tanque, como se muestra en la Figura 6. Es normal observar que la pérdida de retorno cae ligeramente cuando se fija a un tanque vacío debido al efecto de desafinación del material de la pared del tanque como una capa dieléctrica adicional en la línea de transmisión.

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Figura 6. Ejemplo de diseño que muestra la línea de transmisión fijada al costado del tanque. (Fuente:Analog Devices)

Resultados de prueba de ejemplo

La Figura 7 muestra una configuración de prueba completa. La línea de transmisión está fijada al costado de un tanque, y el tanque tiene capacidad para llenarse y drenar de manera controlada. Se puede utilizar un kit de evaluación como el DC2847A de Analog Devices para leer fácilmente los resultados de las mediciones del reflectómetro. Este kit de evaluación incluye una MCU de señal mixta para leer los voltajes analógicos del detector reflejado y directo. El software para PC se cargará y mostrará automáticamente los resultados en formato gráfico en función del tiempo. La pérdida de retorno se calcula fácilmente como la diferencia entre las mediciones de potencia directa y reflejada. La Figura 7 muestra la configuración de prueba completa para el ejemplo de diseño.

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Figura 7. Configuración de prueba completa para el ejemplo de diseño (Fuente:Analog Devices)

En este ejemplo de diseño, las condiciones de nivel de fluido se establecen activando una bomba en uno de los dos tanques. El caudal másico es relativamente constante cuando una bomba está en funcionamiento, por lo que, idealmente, el nivel de fluido en el tanque aumenta linealmente con respecto al tiempo. En la práctica, la sección transversal del tanque no es completamente consistente de arriba a abajo.

La Figura 8 muestra los resultados de la prueba a medida que el nivel de líquido pasa de lleno a vacío. A medida que se bombea fluido fuera del tanque, la potencia de avance se mantiene constante, mientras que la potencia reflejada cae de forma relativamente lineal.

En t =33 segundos, se produce un cambio visible en la pendiente. Se cree que esto se debe al diseño del tanque. El área de la sección transversal del tanque se reduce en el extremo inferior del tanque, como se ve en la Figura 7, para crear espacio para el motor de la bomba. Esto introduce una no linealidad de medición que podría corregirse fácilmente en el firmware del sistema si es necesario.

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Figura 8. Ejemplo de resultados de prueba frente al nivel de líquido. La medición del nivel de fluido es lineal y monótona, con la excepción del diseño del tanque, como se indica en el texto. (Fuente:Analog Devices)

Calibración

Para obtener la mejor precisión, se requiere la calibración del reflectómetro. La calibración corregirá la variación de fabricación de los detectores de RF dentro del reflectómetro, es decir, la pendiente y la intersección. El kit de evaluación DC2847A admite la calibración individual, como se ve en la Figura 8.

En un nivel más alto, el nivel de fluido frente a la pérdida de retorno también necesita calibración. Esto puede deberse a las siguientes fuentes de incertidumbre:

• Variación de fabricación de la distancia entre la línea de transmisión y la pared del tanque.
• Variación en el espesor de la pared del tanque.
• Las propiedades dieléctricas de la pared del tanque o del fluido pueden variar en función de la temperatura.

Pueden existir no linealidades sistemáticas, por ejemplo, el cambio en la pendiente observado en la Figura 8. Si se utiliza la interpolación lineal, en este caso se hace necesaria una calibración de tres o más puntos.

Todos los coeficientes de calibración se almacenarán normalmente en la memoria no volátil del sistema, que podría ser un espacio de código no utilizado en una aplicación de procesador integrado o un dispositivo de memoria no volátil dedicado.

Limitaciones de la medición del nivel de líquido

La directividad de cualquier reflectómetro es una especificación clave. Descuidando las pérdidas de balun, cuando la línea de transmisión se termina precisamente con su propia Z _O , la potencia reflejada llega a cero y el reflectómetro mide su propia especificación de directividad. Cuanto mayor sea la especificación de directividad, mejor será la capacidad del reflectómetro para separar con precisión las magnitudes de las ondas incidente y reflejada.

Para el ADL5920, la directividad se especifica como 20 dB típicos a 1 GHz, aumentando a aproximadamente 43 dB típicos a 100 MHz o menos. Esto hace que el ADL5920 sea adecuado para mediciones de nivel de fluido donde la altura del tanque es de aproximadamente 30 mm o más (consulte la Figura 3).

Extensiones de la aplicación

Para algunas aplicaciones, el principio básico de medición del nivel de fluido sin contacto se puede ampliar de varias formas. Por ejemplo:

• La medición se puede realizar en un ciclo de trabajo bajo para ahorrar energía.
• Si el nivel de fluido se mantiene constante, la medición de la pérdida de retorno puede correlacionarse con otra propiedad del fluido de interés; por ejemplo, viscosidad o pH.
• Cada aplicación es única. Por ejemplo, existen algunas técnicas que pueden ofrecer una mejor precisión en el extremo superior de la escala, en comparación con el extremo inferior, o viceversa, según la aplicación.
• Si el tanque es metálico, la línea de transmisión deberá ir dentro del Dependiendo de la aplicación, la línea de transmisión puede estar sumergida.
• Las mediciones en más de un nivel de potencia de RF pueden ayudar a identificar si la interferencia de RF externa es un error contribuyente. Muchos dispositivos PLL de un solo chip admiten esta función, que se convierte en una prueba de confianza para el sistema o una autoprueba.
• Los sensores de la línea de transmisión en dos o cuatro lados del tanque pueden compensar la inclinación del contenedor a lo largo de uno o dos ejes,
• Si el objetivo es medir el umbral del nivel de líquido, una o más líneas de transmisión más cortas operadas a una frecuencia más alta pueden ser una buena solución.

Conclusión

El desarrollo de un dispositivo reflectómetro de un solo chip como el ADL5920 trae consigo nuevos tipos de aplicaciones, como la instrumentación de nivel de fluido. La eliminación de piezas móviles, como un flotador mecánico que se ha utilizado durante años, dará como resultado un enorme aumento de la fiabilidad. El monitoreo del nivel de aceite y combustible también puede ser posible, abriendo muchas nuevas aplicaciones industriales y automotrices.

Notas al pie

1 La presencia de fluido afecta la impedancia, la pérdida y la velocidad de propagación de la línea de transmisión.

2 Frecuencias industriales, científicas y médicas. Visite en.wikipedia.org/wiki/ISM_band .

3 ATLC:calculadora de líneas de transmisión arbitrarias (para líneas de transmisión y acopladores direccionales). Visite atlc.sourceforge.net .

4 Un aumento de impedancia demasiado grande hará que la línea de transmisión sea difícil de diseñar y las pérdidas de la línea de transmisión pueden volverse excesivas.

Agradecimientos

El autor desea agradecer a Michiel Kouwenhoven, James Wong, Bruce Nguyen y John Chung. Sin su guía y ayuda, este artículo no sería posible.